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Maria Cristina Batoni Abdalla
Instituto de Física Teórica, UNESP
e-mail: [email protected]
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Quantas e quais são as partículas elementares
que compõem a matéria observada no nosso
universo? Neste artigo contamos brevemente
a descoberta destas partículas elementares.
Representações lúdicas e artísticas tentam amenizar para o leitor essa aventura maravilhosa.
38
Q
uantas e quais são as partículas elementares que compõem a matéria
observada no nosso universo? Não exatamente usando o conceito de
partículas elementares (que é moderno), durante milhares de anos temos
buscado uma resposta a essa pergunta que aparentemente parece simples. Os
gregos já tinham idéia de que a matéria era composta de átomos (do próprio
grego indivisível). Essa concepção de indivisibilidade hibernou por mais de 25
séculos e somente no ano de 1897 o átomo foi “quebrado” pelo físico inglês
Joseph John Thomson e a primeira partícula elementar foi descoberta: o elétron.
A última partícula elementar encontrada (bem menos conhecida) foi o neutrino do tau em 2000, por uma equipe de físicos do Fermi National Laboratory
(Fermilab), Estados Unidos.
A física moderna precisou de 103 anos para descobrir e classificar todas
essas pequeninas partículas fundamentais. O modelo que classifica as partículas
elementares começou a ser formulado teoricamente em meados da década de
1960, mas só foi coroado de êxito duas décadas depois, no final de 1982, com
a fantástica descoberta dos bósons mediadores (W+, W–, Z0) da interação fraca.
Recomendamos fortemente que, antes de o leitor prosseguir nessa leitura,
os trabalhos de Ostermann (2001) e Moreira (2004), já publicadas nesta mesma
revista, fossem lidas e estudadas cuidadosamente, pois vários termos e conceitos
utilizados aqui estão lá explicados e colocados no contexto da física de partículas
de uma forma bem didática.
O século passado testemunhou a descoberta de centenas de novas partículas.
Até o início da década de 1950, a grande maioria das partículas descobertas foi
erroneamente considerada elementar, pois o método de observação utilizado
não permitia ver-lhes a natureza mais íntima. O critério que define elementar
até que não é difícil – é até bastante intuitivo: toda partícula que pode ser
quebrada não é elementar, e toda aquela que tem um único constituinte é
considerada elementar. No entanto, do ponto de vista experimental e teórico, o
conceito não é tão simples assim; há grandes dificuldades quanto aos limites
intrínsecos à observação, e há também dificuldades na concepção dos modelos
teóricos que descrevem o comportamento da matéria.
Do ponto de vista teórico, o conceito que define uma partícula elementar é,
antes de tudo, de natureza abstrata e matemática. Todas as partículas elementares
são descritas por objetos matemáticos denominados funções de onda, a partir
das quais são extraídas informações sobre a dinâmica de tais partículas. A função
de onda que descreve uma partícula elementar não pode ser redutível à função
de onda de outras partículas. Essa linguagem é ditada pela mecânica quântica
e, para nossos propósitos, parece um bocado complicada. É difícil transmitir os
conceitos que envolvem a função de onda a quem não é especialista. Além
disso, como seria impossível construir a família das partículas elementares de
um ponto de vista estritamente teórico, optamos por contar sobre suas descobertas teóricas e experimentais em uma organização histórica cronológica, fazer
uma representação artística para as características dessas partículas e depois
acomodá-las no modelo aceito hoje em dia que é chamado de Modelo Padrão
O Discreto Charme das Partículas Elementares
Física na Escola, v. 6, n. 1, 2005
(MP). É importante ficar claro que os desenhos artísticos
utilizados neste trabalho pretendem fazer apenas uma representação gráfica para as características das partículas
(como a massa, por exemplo, que em última análise é o
que se mede) e assim atrair a atenção dos não-iniciados de
uma forma divertida e pitoresca, de modo que a informação
visual fique retida e, principalmente, para eliminar a idéia
de que as partículas elementares são “bolinhas”.
O Modelo Padrão (MP) estabelece: toda a matéria de
que se tem notícia é composta de três tipos de partículas
elementares: léptons, quarks1 e as mediadoras, e que um
punhadinho de 61 partículas basta para construir toda a
matéria observada neste universo (incluindo, é claro, as
observadas em laboratórios). Como chegamos a esse
número? Quais são elas? Como estão classificadas? Essas
são algumas das perguntas que tentaremos responder. Contudo, não temos condição de fazer aqui uma revisão sobre
conceitos da mecânica quântica para depois falar em
“partícula elementar” e seus “números quânticos”. Vamos
nos deter às descobertas e ao mesmo tempo situar essas
descobertas no contexto histórico.
O elétron (e–) foi a primeira partícula elementar a ser
descoberta. Thomson, em 1897 realizou uma experiência
com raios catódicos na Ampola de Crooks e flagrou a divisibilidade do átomo, ganhando o Prêmio Nobel em 1906.
Veja, ao lado esquerdo, uma figura artística ilustrativa
da Ampola de Crookes,
onde um feixe das partículas que estavam sendo
observadas passa primeiro por um campo elétrico,
sendo acelerado, e depois
por um campo magnético, que curva sua trajetória. Thomson observou apenas
um pontinho no bulbo da ampola e
pela curva certificou-se que era o
elétron. Na experiência há duas
propriedades importantes sobre partículas carregadas, a saber: quando
um elétron passa por um campo
magnético, sua trajetória é curvada
(veja figura ao lado direito). Ao passar por um campo elétrico o elétron é acelerado, como
mostra a segunda figura
à esquerda. Essas duas
propriedades formam o
princípio básico dos aceleradores de partículas
carregadas como o colisor
do European Laboratory
for Particle Physics (CERN), em Genebra, Suíça.
A questão que colocamos agora é a seguinte: Conhecidas as propriedades do elétron, como ele é classificado no
MP? Uma forma pictórica de representar o MP é o quadrado
ao lado, com 16 caixinhas onde temos espaço para 6 léptons
(caixinhas roxas), que não interagem fortemente, para 6
quarks (caixinhas verdes) que interagem fortemente e 4
Física na Escola, v. 6, n. 1, 2005
partículas mediadoras (caixinhas
amarelas). Sabemos que o elétron
tem massa, carga elétrica e spin
1/2 (lembre-se das aulas de Química sobre distribuição eletrônica) e ele é um férmion fundamental2 que não interage fortemente
(não tem interação nuclear), portanto é um lépton e por isso vai
ocupar a primeira caixa roxa da figura acima.
O fóton (γ) é a segunda partícula elementar a entrar no cenário. Em 1905, o
físico alemão Albert Einstein explicou o efeito
fotoelétrico usando a hipótese de que a luz é
formada de pacotinhos de energia que mais tarde receberam o nome de fóton3. O fóton também é conhecido
como quantum de luz. Por mais incrível que possa parecer,
o fóton não tem massa – é uma partícula que só tem
energia e seu spin é 1, e portanto ele é um bóson. Na
figura ao lado representamos artisticamente as características do fóton.
Ao lado ilustramos o efeito fotoelétrico: quando a luz
(fótons) que incide em uma placa de
metal tem energia suficiente, os elétrons do metal podem ser arrancados
e ejetados, porque eles adquirem
energia cinética proveniente dos
fótons e com essa energia cinética eles
“pulam” da placa. Elétrons são,
então, emitidos de metais iluminados, e a energia dos elétrons, ao
contrário do que se podia imaginar, depende da freqüência
da luz (cor) e não da sua intensidade. Na verdade, quanto
maior a intensidade da luz, mais elétrons “pulam” da placa,
mas todos com a mesma energia!
Einstein mostrou que esse fenômeno poderia ser explicado se a luz de freqüência (f) fosse composta de quanta individuais de energia (hf). Ganhou, por
essa descoberta, o prêmio Nobel
de 1921. Em 1923, dezessete anos
depois da proposta teórica de
Einstein, o fóton foi confirmado
na experiência do efeito Compton
(no espalhamento Compton, o
fóton que bombardeia o elétron em repouso perde energia
e se espalha com energia menor). No MP, o fóton é umas
das partículas mediadoras e vai ocupar o primeiro lugar
dos bósons mediadores.
Cronologicamente, a próxima partícula
encontrada foi o próton (vem do grego
protos e quer dizer o primeiro). Em 1919, o
próton foi descoberto pelo físico Ernest Rutherford através do bombardeamento do
nitrogênio por partículas alfa (núcleos do
átomo de hélio), resultando em um isótopo do oxigênio
mais um núcleo do átomo de hidrogênio (próton), com
mostra a reação a seguir.
O Discreto Charme das Partículas Elementares
39
É importante dizer que na época pensava-se que o
próton fosse uma partícula elementar. No entanto, hoje
sabemos que o próton não é uma partícula elementar e,
portanto não entra no Modelo Padrão, pois como veremos
mais adiante ele é composto de três quarks.
Núcleos atômicos podem emitir partículas de seu interior. No final da década de 20 um dos grandes mistérios da
Física experimental era que os elétrons emitidos do núcleo
atômico não tinham uma energia muito bem definida, isto
é, podiam ser ejetados com energias que variavam continuamente, desde zero até altos valores. O
físico alemão Wolfgang Pauli sugeriu então
a existência de uma partícula leve, neutra
e fracamente interagente com a matéria,
para explicar essa aparente falha da conservação de energia nas medidas do momento
do elétron ejetado. Essa partícula leve também seria ejetada com uma certa energia,
de forma que a distribuição de momento
do elétron fosse entendida (esse processo é
conhecido por decaimento β). Surge assim
o neutrino (ν), a terceira partícula elementar a ser estudada que mais adiante será
representada por νe. Hoje sabemos que o processo fundamental do decaimento β é a desintegração do nêutron,
resultando em um próton, um elétron energético (esse elétron
é β) e um antineutrino. Inicialmente as tentativas para
encontrar o neutrino falharam, e seu apelido passou a ser “o
pequenino que não está lá”. Ele só foi observado experimentalmente em 1956, no reator nuclear Savannah River, na Carolina do Sul, Estados Unidos. A confirmação inequívoca da
sua existência ficou a cargo de Clyde Cowan e Frederick Reines,
que ganharam o prêmio Nobel em 1995, trinta e nove anos
depois da primeira detecção. Esse
fato marca uma evidência interessante na pesquisa em física de
partículas: inicialmente a observação da possível não-conservação
de energia; posteriormente a previsão teórica, baseada em princípios
primeiros, e em seguida a detecção experimental. O neutrino é um
lépton, e no MP ele entra na caixa roxa acima do elétron,
formando a primeira família de léptons.
O múon (µ) é a quarta partícula elementar e a primeira
das partículas elementares instáveis a ser descoberta. Em
1933, o físico japonês H. Yukawa (Prêmio
Nobel de 1949) propôs uma teoria para a
força nuclear. Previu uma partícula de
massa 200 vezes superior à massa do
elétron. Em 1937, os físicos S.H. Neddermeyer e C.D. Anderson anunciaram a primeira evidência da sua existência. Encon40
trada em uma câmara de nuvens4, a partícula foi batizada
de mésotron – que passou, mais tarde, a méson µ (intermediária, em grego) e, mais tarde ainda, passou a ser conhecida
por múon. Representada por µ, tem duas cargas elétricas
possíveis (µ+) e (µ–). Na verdade, a partícula que havia sido
descoberta nem era a partícula prevista por Yukawa, tampouco era um méson. Quem era então essa partícula
descoberta em 1937, tão parecida com o elétron? Suas principais características: seu spin é 1/2 e pode ser visto como
um elétron crescido, pois sua massa é 207 vezes maior. A
diferença essencial entre os dois consiste em o múon não
ser estável e, portanto, decair, enquanto o elétron é estável, por
uma razão muito simples: não há
nada em que o elétron possa decair, por ele ser o mais leve. Ele é
um lépton e não é afetado pela
força nuclear forte, ou seja, as
forças que o afetam são as eletromagnéticas e a nuclear fraca.
No MP ele ocupa a segunda caixa roxa.
Em 1947 o píon (π) foi descoberto e o físico brasileiro
César Lattes esteve envolvido na sua detecção, mas o píon
não entra no MP porque ele não é uma partícula elementar.
A década de 1950 é conhecida pelo número espantoso
de partículas novas, um verdadeiro zoológico de espécies!
Apenas por curiosidade, eis algumas: Κ+, Λ, Κ0, ∆++, Ξ–,
Σ+, (nenhuma delas elementar). A necessidade de classificá-las se fazia urgente, mais que isso: era necessário formular uma classificação inteligente, ou seja, capaz de ordenar tantas partículas. Nessa tentativa os físicos passaram
a elaborar leis de conservação que podiam ser aplicadas às
reações vistas nos laboratórios. Naquela época estava “no
ar” que, além das quatro leis de conservação clássicas (massa-energia, carga elétrica, momento linear e momento
angular), outras leis de conservação permitiriam dar sentido ao que acontecia no mundo das partículas elementares.
Assim, as leis de conservação, que são resultados da observação, também poderiam ser estendidas e refinadas de forma a acomodarem as novas descobertas fenomenológicas.
Uma vez estabelecido esse consenso, o físico
norte-americano Murray Gell-Mann, em
1953, sugeriu que certas partículas “estranhas” fossem identificadas por um novo
número quântico que batizou de estranheza
e postulou que seria conservado nas interações fortes, mas não nas fracas. E foi assim que uma nova lei de conservação, a
estranheza (s), foi introduzida para explicar
os estranhos comportamentos de
algumas partículas. Na verdade,
a estranheza é um número quântico como o spin. Além de as partículas estranhas serem produzidas aos pares, uma característica
marcante era que, ao decaírem em
outras partículas carregadas, o
traço deixado na câmara de
O Discreto Charme das Partículas Elementares
Física na Escola, v. 6, n. 1, 2005
bolhas apresentava sempre a forma de um V invertido.
Por essa particularidade, elas chegaram a ser conhecidas
como partículas V. Hoje sabemos que as partículas estranhas
são produzidas pela força forte e que seus decaimentos
são regidos pela força fraca. Cerca de 10 anos mais tarde,
esse conceito deu origem ao quark estranho (s), que está
representado artisticamente na página anterior.
Em 1962, cientistas do Brookhaven National Laboratory (BNL) observaram a primeira evidência do neutrino
do múon (νµ), fato que mostrava a existência de mais de um tipo de neutrino.
O Prêmio Nobel foi outorgado a Leon
Lederman, Melvin Schwartz e Jack
Steinberger, em 1988, os três da universidade de Columbia, Estados Unidos, e
fizeram a descoberta utilizando o Alternating Gradient Synchrotron (AGS), na época um dos mais sofisticados
aceleradores do mundo. O experimento utilizou um feixe
de prótons energéticos do AGS para produzir um verdadeiro
chuveiro de mésons π, que viajaram 70 pés (2.133,6 cm)
de uma parede de 5.000 toneladas de aço fabricada com
placas de um velho couraçado. No caminho, os mésons
decaíram em múons e neutrinos, mas só estes últimos
podem passar através da parede
na direção de um detector pleno
de neon. Dentro da câmara, o
impacto dos neutrinos contra
placas de alumínio produziu rastros do múon, que foram detectados e fotografados, comprovando a existência de neutrinos
do múon. No MP, o neutrino do
múon ocupa a caixa roxa acima do múon, completando a
segunda família dos léptons.
Vamos falar agora dos
quarks up (u) e down (d)
Na década de 60, alguns físicos passaram a reviver uma idéia
que havia sido descartada no passado e que considerava a
hipótese de os hádrons2 serem formados por um punhado
de “tijolinhos” fundamentais, responsáveis pela existência
de toda a matéria observada no universo. Gell-Mann
publicou um trabalho brilhante, em 1964, propondo que
todos os hádrons [2], seriam formados por três partículas fundamentais (e suas respectivas antipartículas), às quais nomeou
quark, que são férmions de spin
1/2. A sorte de Gell-Mann foi que
o modelo previa a existência da
partícula Ω– e ela foi descoberta
em pouquíssimo tempo. Esse fato
atraiu atenção e interesse de muitos físicos. No MP os
quarks up e down ocupam as duas primeiras caixas verdes,
completando a primeira família de quarks.
Segundo o modelo de Gell-Mann, os quarks aparecem
em três tipos: up, down e strange, denominados sabores,
Física na Escola, v. 6, n. 1, 2005
além das suas respectivas antipartículas
. As regras
básicas do modelo são de uma simplicidade impressionante:
1) os (anti)bárions são formados de 3 (anti)quarks
qqq; 2) os mésons são formados por um par quarkantiquark
. Com essas duas singelas asserções, todas
as partículas conhecidas puderam ser entendidas e construídas. Enfatizamos aqui que a matéria comum, essa de
nosso cotidiano, é feita de quarks leves u e d. Os exemplos
mais simples são o próton (uud) e o nêutron
(udd). Agora sim, podemos entender porque
o nosso cartunista desenhou o próton como
sendo aquela figura tão estranha. Se você “tirar
a roupa do próton” verá que ele é formado
por 2 quarks up (os vermelhos) e um quark down (verde).
Apesar de fundamentais, quarks nunca foram observados livremente e eles só existem em estados ligados formando as partículas. Pensou-se
até que encontrar um quark
livre seria um evento muito
raro. Foram analisadas amostras do leito antigo de oceanos,
de meteoritos e até da poeira de
camadas altas da atmosfera, e
nunca se encontrou um só
quark livre. Na verdade essa é uma característica da teoria
à qual damos o nome técnico de confinamento.
Embora o modelo de Gell-Mann tenha se tornado um
sucesso, havia um problema teórico que precisava de solução imediata. Aparentemente, violava o princípio de exclusão de Pauli, (dois férmions idênticos jamais podem ter os
mesmos números quânticos ou ocupar o mesmo lugar no
espaço). A partícula Ω– é formada por três quarks estranhos
(sss) e, como cada s é um férmion, temos um problema:
dois deles não poderiam ocupar o mesmo estado físico.
Ainda em 1964, dois físicos da Universidade de Chicago, Yoichiro Nambu e Moo-Young Han, resolveram o
impasse propondo um novo número quântico: a cor. Os
quarks, que certamente obedeciam ao princípio de Pauli,
não só viriam em três sabores diferentes, mas também em
três cores. Cada quark aparece em três versões coloridas:
vermelho, azul e verde. Assim, uma forma possível de
se escrever a partícula Ω–, formada por três quarks estranhos, seria (svermelho sverde sazul), de maneira que todos os
quarks estranhos fossem diferentes. Na linguagem do
físico, não estariam mais no mesmo estado.
O charme (c) foi o quarto quark a ser proposto. Apesar
de o nome quark revelar uma origem bem romanceada
como conta seu inventor5, a mítica não
funciona para o número 3, que estava
longe de ser tão perfeito como Gell-Mann
supôs inicialmente. Em 1964, os norteamericanos James Daniel Bjorken e
Sheldon Lee Glashow propuseram a
existência de outro férmion fundamental:
o quark charmoso. Um novo número quântico nomeado
charme seria violado apenas nas interações fracas. No
trabalho original, os autores preconizam a existência de
muitas partículas charmosas, cuja descoberta seria cru-
O Discreto Charme das Partículas Elementares
41
cial para testar a idéia. A idéia dos autores para a inclusão
de um quarto quark foi, no início, baseada em argumentos
puramente estéticos: afirmavam que os léptons fundamentais existiam em número de quatro (e–, νe, µ, νµ). Logo, por
uma questão de simetria, os quarks fundamentais também deveriam existir em número de 4 (u, d, s, c). Assim
como a matéria ordinária estável é formada pelos quarks
leves u e d, os quarks mais pesados, s e c, compõem as
partículas mais instáveis, que vivem muito pouco e são
produzidas em reações nos laboratórios. O quark charmoso
foi observado no verão norteamericano de 1974, e deu metade
do prêmio Nobel de 1976 ao
grupo liderado por Samuel Chao
Chung Ting, em Brookhaven,
Estados Unidos. A outra metade
foi para o norte-americano Burton Richter que liderava o grupo
no Stanford Linear Accelerator
Center (SLAC). No MP, ele ocupa a caixa verde acima da
estranheza, completando a segunda família.
Na década de 1960, surge também uma nova teoria
unindo a força eletromagnética e a força fraca em uma
única superforça chamada eletrofraca. Em 1967, Steven
Weinberg propôs um modelo para a síntese eletrofraca,
em que as interações são mediadas por quatro bósons –
W+, W–, Z0, e γ. Os três primeiros são massivos e denominados bósons mediadores; o quarto é o fóton, que medeia a
força eletromagnética e não tem massa. Abdus Salam, em
1968, e Sheldon Glashow, em 1970, trabalharam outros
aspectos fundamentais para a formulação da chamada
Teoria Eletrofraca.
Em 1979, Weinberg recebeu o prêmio Nobel junto com
Abdus Salam e Sheldon Glashow, mesmo sem que essas novas partículas mediadoras tivessem sido descobertas em laboratório.
A confirmação experimental dos três bósons
ocorreu em 1983, outorgando o prêmio Nobel de
1984 ao físico italiano
Carlo Rubia, que liderava
um experimento instalado no CERN. A experiência observou a colisão de um próton e um antipróton, para
procurar posteriormente os seguintes modos de decaimentos:
W+ → e+ + e W– → e– + νe (e+ é o pósitron, a antipartícula
do elétron). Dados foram tomados ininterruptamente durante trinta dias, no final de 1982, e observaram um bilhão
de colisões, gravando um milhão em fitas magnéticas, das
quais os computadores selecionaram 2.125 eventos. A
precisão com que os traços das partículas são reconstruídos
pelos computadores é impressionante. Sob análise cuidadosa,
esses eventos reduziram-se a 39 e, finalmente, cinco deles
mostravam ao mundo a existência dos W± !
O Z0 foi descoberto em meados de 1983, observando outros modos de decaimento: Z0 → e+ + e– e Z0 → µ+ + µ– . O
42
Z0 decai de muitas formas diferentes, inclusive nas que
incluem neutrinos; esse comportamento está intimamente
ligado a uma relação simples, que
pode ser deduzida da teoria eletrofraca, entre a vida média do Z0 e o
número de possíveis tipos de neutrinos existentes na natureza. Na
linguagem do físico, o número de
gerações dos léptons! Veja que informação importante:
teoricamente, o número de gerações é igual a três. Isso significa que há só três tipos de neutrinos. Para observar o Z0
mais a fundo, um novo acelerador foi projetado. Em 1983,
um imenso túnel de 27 km de circunferência começou a ser
cavado no CERN para construir o Large Electron Positron
ring (LEP), com espaço para quatro
enormes detectores diferentes,
destinados a observar o resultado
das colisões dos dois anéis de matéria e antimatéria. Em 1989, o
LEP ficou pronto e, logo na primeira tomada de dados, oito
minutos de observação bastaram
para a detecção do primeiro Z0. No
MP, o W+ e o W– ocupam a caixa amarela de baixo e o Z0
ocupa a caixa amarela acima deles.
Apesar de o número quântico cor ter sido proposto para
resolver o problema do Princípio de Exclusão de Pauli, a razão
mais profunda da necessidade desse número quântico extra
consiste no fato de a força forte que inter-relaciona os quarks
ser mediada pela cor. Em outras palavras, a força entre os
quarks tem sua origem na cor. A cor é uma espécie de carga
que origina a força forte, da mesma forma que a carga elétrica
é fonte da interação eletromagnética.
Da teoria batizada de CromoDinâmica Quântica (QCD),
sabe-se que a força forte é
transmitida por oito partículas
sem massa, eletricamente
neutras e de spin 1, chamadas
glúons, termo que se originou
da palavra glue, cola, em inglês.
Os glúons mediam a força forte
e carregam cor e anticor. Na linguagem do físico, dizemos
que, na função de onda do glúon, há um número quântico
especificando a cor e outro indicando a anticor. Como há três
cores (vermelho azul verde) e
três anticores (
), há 9 espécies de glúons diferentes - um
octeto (8 glúons obtidos de combinações adequadas dos 9) e um
singleto (glúon solitário) que não
é importante, pois a soma das
cores resulta branco. No MP, os 8 glúons ocupam a caixa
amarela abaixo do fóton.
O tau (τ) vem formar a terceira geração de léptons. Já
vimos que a família dos léptons acomodava quatro elementos
agrupados dois a dois: (e–, νe), (µ, νµ). No entanto, em 1975,
um novo lépton entrou em cena. Em Stanford, Estados
O Discreto Charme das Partículas Elementares
Física na Escola, v. 6, n. 1, 2005
Unidos, o físico Martin Perl, observando o processo no qual
elétrons e pósitrons aniquilam-se, fez uma descoberta muito
importante. Em meio a tantas partículas, havia muito tempo
que não se descobria um lépton. E eis
que um lépton genuíno aparece, quase
duas vezes maior do que o próton sua descoberta provocou uma
verdadeira surpresa no meio científico. Foi batizado de tau (τ), referindo-o à palavra triton, que vem do grego e significa o terceiro.
Da mesma forma que seus dois irmãos, elétron e múon, o
tau apareceu em duas versões:
com cargas positiva e negativa. De
fato, o τ inicia a terceira família de
léptons (e–, νe–), (µ, νµ), (τ, ?) dando
esperança à existência do neutrino
do tau (ντ), sobre o qual falaremos
mais adiante. Perl recebeu o prêmio
Nobel de 1995 junto com Fred
Reines, responsável pela detecção
do neutrino em 1956. No MP, o tau ocupa a terceira caixa
roxa da primeira linha dos léptons.
O bottom (b) foi o quinto quark a ser descoberto. Depois
que as primeiras gerações de quarks – (ud) e (sc) – tinham
sido entendidas, a questão era saber, e
testar em laboratório, se quarks ainda
mais pesados existiam. Em 1977, Lederman, líder de um grupo do Fermilab,
observou a primeira evidência do méson
úpsilon [ϒ(1S)], interpretado como um
estado ligado de um bottom com um antibottom, indicando,
de fato, uma terceira família de
quarks. Esse quinto quark era bem
maior do que qualquer partícula
já descoberta e foi batizado de b.
Uns dizem ser b de bottom, em
contraposição a down, outros
acham que seria b de beauty, em
analogia ao charm. Enfim, o nome
que pegou foi b de bottom. No MP
o bottom ocupa a terceira caixa verde da primeira linha dos
quarks.
No início da década de 1980, a lista de mésons contendo
o quinto quark aumentou de modo significativo, e os físicos
teóricos começaram a especular sobre
a existência de um sexto quark para
completar a simetria. Muitas foram
as tentativas de detectá-lo, e o top (t)
foi o último quark a ser descoberto,
em 1995. Para se ter uma idéia do
seu tamanho, a massa do top, que é uma partícula elementar,
é da ordem de um átomo inteiro de ouro. Essa partícula só
existiu em condições naturais na época do big bang. Depois,
com o resfriamento do universo, ela deixou de existir e, agora,
precisamos de aceleradores que atinjam energias muito altas
para recriá-la, mesmo que seja por um brevíssimo instante.
Aparentemente, o único acelerador em condições de detectar
uma partícula tão pesada seria o Tevatron, no Fermilab. Neste
Física na Escola, v. 6, n. 1, 2005
acelerador subterrâneo de 2 km de diâmetro, que começou a
funcionar em janeiro de 1987, tanto o próton como o
antipróton eram acelerados de modo a se encontrarem em
algum ponto de colisão. Inicialmente foi construído com apenas
um detector, o Collider Detector at
Fermilab (CDF). Em 1992 surgiu
outro detector, chamado DZero.
Mais de 900 cientistas de 21
estados norte-americanos e de 12
outros países passaram, então, a
colaborar na busca do top, e, em
1995, observaram, afinal, o sexto quark, t (de truth ou top).
No MP, o top ocupa a terceira caixa verde acima do bottom.
Note que nosso cartunista representou as partículas
respeitando, na medida do possível, uma escala de massas.
A relação entre as massas dos quarks e dos léptons permanece até hoje um enorme mistério.
O neutrino do tau (ντ) foi a última partícula a ser descoberta. Depois de o top ter sido encontrado em 1995, as
simetrias clamavam por um
acompanhante-neutrino. Da
mesma forma que os outros
dois léptons – o elétron (e–) e o
múon (µ) – tinham seus respectivos neutrinos (νe) e (νµ), o tau (τ) também deveria vir
acompanhado do seu neutrino (ντ). A busca experimental
foi intensa. Iniciou-se oficialmente em 1997, quando físicos que trabalhavam no Tevatron fizeram uso de um feixe
intenso que passava por um alvo de 15 m de comprimento,
feito de placas de ferro e camadas de emulsão adequadas
ao registro dessas interações; o aparato foi chamado Direct Observation of the Nu Tau (DONUT). Apenas um neutrino, de um trilhão deles, interage com um núcleo de ferro
e se transforma em um tau que vive só 300 femtosegundos
(10–15 s), deixando registrado na
emulsão um minúsculo rastro de
um milímetro, mas suficiente
para garantir a existência da
partícula. O DONUT registrou 6
milhões de eventos, dos quais mil
foram selecionados pelos computadores – 4 deles exibiam evidências concretas da existência do
neutrino do tau! No MP, ele ocupa a caixa roxa acima do
tau. Enfim, o zoológico completo!
Resumindo: Há três famílias perfazendo seis léptons. Há
ainda seis antiléptons. Juntos, somam doze partículas
elementares. Os seis quarks também aparecem em três famílias. As cargas são frações da carga do elétron. Os quarks
aparecem em três cores de modo que temos 3 x 6 = 18
quarks. Como há também os antiquarks, juntos somam 36
partículas. Partículas mediadoras: o spin é sempre 1, e as
partículas mediadoras dependem do tipo da força em questão.
Considerando as forças forte, fraca e eletromagnética temos
8 glúons, 1 fóton, W+, W–, Z0. A Tabela 1 resume tudo.
A contagem final nos leva a 60 partículas elementares,
número que não deve ser considerado alarmante nem exces-
O Discreto Charme das Partículas Elementares
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sivo. Fato extremamente intrigante, no entanto, é que para
formar a matéria ordinária que nos rodeia precisamos apenas
e tão somente da primeira família estável - o elétron (com
seu neutrino sempre à sua volta) e os quarks up e down, que
são os formadores básicos dos prótons e nêutrons!
Ah! Não podemos nos esquecer do Higgs – a última
partícula elementar que falta ser encontrada no MP! A
sua verificação experimental é tão importante que um acelerador especial no CERN, chamado Large Hadron Collider
(LHC), está sendo construído para procurá-lo (estará em
operação em 2007). Um orçamento de bilhões de dólares e
mais de 3000 físicos em busca de uma única partícula! Em
princípio o Higgs é o responsável pela escala de massas, então
vamos promovê-lo e elevar o número total para 61!
A história do Higgs começou em 1964 quando o físico
inglês Peter Higgs, da Universidade de Edinburg, Inglaterra,
propôs um mecanismo que ficou
conhecido por Mecanismo de Higgs,
um dos maiores enigmas do MP, e
que gera a massa das partículas chamadas bósons mediadores (W± e Z0).
Na década de 1970, com os físicos
Weinberg e Salam, aprendemos que,
a temperaturas muito altas, da ordem de 1015 graus, a força fraca e a
eletromagnética constituem, juntas, uma superforça, batizada de força eletrofraca6. De certa forma, seriam duas facetas
da mesma força. Sabemos que os mediadores dessa superforça
são bósons. O bóson que medeia a força eletromagnética é o
fóton, que não tem massa, e os bósons que medeiam a força
fraca são os W± e Z0, que são massivos! Ora, por que essa
falta de reciprocidade?
Essa força eletrofraca é a jóia preciosa do Modelo Padrão
e precisa ser entendida em toda a sua extensão. E eis que, em
certo momento da origem do universo, essa superforça
separa-se, para todo o sempre, em duas. De um lado, a força
eletromagnética; de outro, a força fraca. Esse é o momento
exato em que o abominável infrator da simetria entra em
jogo: o Higgs, e como se fosse uma espécie de rei Midas,
atribui massa a tudo o que toca. Antes de o Higgs aparecer,
tanto o fóton como os bósons mediadores não eram massivos. Quando o Higgs entra em cena, os W± e Z0 adquirem
uma notável corpulência, enquanto o fóton continua sem
massa. Teoricamente - e com uma margem de erro bem
grande -, a massa do Higgs é estimada em 110 GeV/c2 (giga
eletronvolts (109 eV) dividido pela velocidade da luz ao
quadrado, pois E = mc2). Se ele existir e for descoberto (basta
apenas um!), os físicos ficarão muito felizes, porque o modelo
padrão terá funcionado maravilhosamente bem, e tudo,
enfim, será explicado!... ou melhor, quase tudo...
O Modelo Padrão resiste aos testes experimentais há mais
de 30 anos. Mas apesar de todo o seu sucesso, nem tudo esta
explicado. Ele não responde a diversas perguntas fundamentais: por que as partículas têm massas numa certa
hierarquia? Qual seria o mecanismo que privilegia a matéria
suprimindo a antimatéria? Como incluir a força gravitacional, que é a quarta interação fundamental6, de forma a atribuir o status de partícula ao quantum de interação gravitacional (gráviton)? Seriam as quatro forças da natureza (forte,
fraca, eletromagnética e gravitação) simplesmente aspectos
diferentes de uma mesma realidade? Uma possível resposta
é a teoria de cordas, mas esse já é um assunto que está fora
do escopo deste artigo. Para responder a essas perguntas o
físico continua o seu trabalho...
Tabela 1. Resumo do número total de partículas elementares do Modelo Padrão.
Partículas
Léptons
Quarks
Mediadoras
e , νe, µ, νµ, τ, ντ (6)
u, d, s, c, b, t (cada quark pode ter 3 cores) (6x3 = 18)
γ, W+, W– , Z0 , g1, g2, g3, g4, g5, g6, g7, g8 (12)
–
Antipartículas
Total
(6)
(18)
As antipartículas são as mesmas
que as partículas
12
36
12
e ,
+
Total
60
Referências
[1]
[2]
[3]
Abdalla, M.C.B. O Discreto Charme das Partículas Elementares (Editora
da Unesp, São Paulo, no prelo, previsto para outubro de 2005).
Ostermann, F. Um Pôster para Ensinar Física da Partículas na Escola.
Física na Escola, 2(1), 13-18 (2001).
Moreira, M.A. Partículas e Interações, Física na Escola 5(2), 10-14,
(2004).
Notas
Insistimos que o leitor deve ler antes o trabalho de Ostermann (2001)
para que os termos léptons, quarks e bósons mediadores, entre
outros, passem a fazer parte do vocabulário básico e possibilite
uma melhor compreensão deste texto.
2
O próton é um férmion pois seu spin é 1/2. No entanto ele não é um
férmion fundamental, pois é constituído de partículas ainda menores
chamadas quarks.
3
O termo fóton foi proposto por Gilbert N. Lewis em 1926, onze anos
depois de Einstein ter resolvido o efeito fotoelétrico, em uma carta
ao editor da revista Nature: “(...) Portanto eu tomo a liberdade de
propor para esse átomo novo hipotético, que não é luz, mas
1
44
desempenha um papel essencial em todos os processos de radiação, o nome fóton.”
4
Câmera de nuvens: inventada em 1912 por pelo físico escocês Charles
Thomson Rees Wilson (premio Nobel de 1927), foi muito utilizada
no estudo da radioatividade. Vapor de água é confinado em uma
câmera fechada até o ponto de saturação. A pressão é diminuída,
produzindo-se ar num estado supersaturado. A passagem de partículas carregadas condensa essa massa de ar em gotículas diminutas
de vapor, deixando, assim, os vestígios da partícula que passou.
5
“Em 1963, quando atribuí o nome ‘quark’ aos constituintes fundamentais dos núcleons, primeiro eu tinha o som da palavra, sem
sua grafia, que poderia ser kwork. Então, em uma das minhas olhadelas ocasionais em Finnegans Wake, de James Joyce, encontrei a
palavra quark na frase Three quarks for Muster Mark!... Como quark,
que significa, entre outras coisas, o pio da gaivota, tinha a intenção
clara de rimar com Mark, assim como bark e outras palavras
semelhantes, eu tinha encontrado uma desculpa para pronunciála como kwork. ... De qualquer modo, o número 3 ajusta-se perfeitamente ao modo pelo qual os quarks ocorrem na natureza” (O
Quark e o Jaguar (Rocco, São Paulo, 1994), p. 194.
6
Veja mapa conceitual para interações fundamentais em Moreira (2003).
O Discreto Charme das Partículas Elementares
Física na Escola, v. 6, n. 1, 2005